无刷直流电动机的应用与发展

1　引 言

直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机［1］。

无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。

在结构上，与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的定子绕组作为电枢，励磁绕组由永磁材料所取代。按照流入电枢绕组的电流波形的不同，直流无刷电动机可分为方波直流电动机（BLDCM）和正弦波直流电动机（PMSM），BLDCM用电子换相取代了原直流电动机的机械换相，由永磁材料做转子，省去了电刷；而PMSM则是用永磁材料取代同步电动机转子中的励磁绕组，省去了励磁绕组、滑环和电刷。在相同的条件下，驱动电路要获得方波比较容易，且控制简单，因而BLDCM的应用较PMSM要广泛的多［2］。

直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机［3］。本文从无刷电动机的三个部分对其发展进行分析。

2　各组成部分发展状况

2．1　电动机本体

无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可性得以提高。无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展［4］。

目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩［5］。该类型电机正处于研究开发阶段。

2．2　电子换相电路

控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路

目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法；由于数字信号处理器运算快，外围电路少，系统组成简单、可，使得直流无刷电动机的组成大为简化，性能大大改进，有利于电机的小型化和智能化，因而数字信号处理器是控制电路发展的方向［6］。

驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）〔7〕。随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。

2．3　转子位置检测电路

永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。

用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可性。为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。但对于反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。

近年，有人提出了一种新的无位置传感器的无刷电动机，它不是利用反电动势来检测转子位置，而是通过贴于转子表面的非磁性导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置而变化，从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，这种无位置传感器的无刷电动机克服了一般无位置无刷电动机的启动和低速运行问题，但该方法需要特殊的电机，对电机的制造工艺提出很高的要求［8］。

3　有待研究问题

3．1　转矩脉动

目前，无刷直流电动机存在的最主要的问题就是存在转矩脉动。由于转矩存在脉动，使得无刷直流电动机在交流伺服系统中的应用受到了限制，尤其是在直接驱动应用的场合，转矩脉动使得电机速度控制特性恶化。尤其是用于视听设备、**机械、计算机中的无刷直流电动机，更要求运行平稳、没有噪声。因而抑制或消除转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键。

转矩脉动产生的原因主要有：齿槽效应和磁通畸变引起的转矩脉动；谐波引起的转矩脉动；由于电枢等效电感的影响，由换相电流引起的转矩脉动。目前，各高校以及科研机构对转矩脉动问题展开了深入的研究，针对不同的产生原因，提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，从不同程度上提高了无刷电动机的性能。但是这些研究均是在原有结构、方案上提出了一些削弱或补偿的方法，没有从原理上或者根本上消除转矩的脉动。因而转矩的脉动还有待于进一步的研究。

3．2　无位置传感器的转子位置检测

无位置传感器转子位置检测的方法主要有：反电动势法、续流二极管法、电感法和状态观测法。其中反电动势法是最常见和应用最广泛的方法。但该方法是在忽略电枢反应的基础上的，在原理上就存在误差，对于大功率无刷电动机，电枢反应对气隙磁密的影响更明显，误差也就更大。另一方面，电机在启动和低速时，反电动势为零或很小，很难通过反电动势来检测转子位置，无位置传感器的无刷电动机存在启动问题［9］。因此，如何在大功率无刷电动机中补偿反电动势法造成的转子位置信号的误差，以及如何克服反电动势法中电动机的启动问题，是急需解决的。对于启动问题，一般采用先用其他方法启动之后再切换到无位置传感器的运行方法。

4　无刷直流电动机的发展方向

随着电子技术、控制技术的发展，位置检测可以通过芯片配合适当的算法来实现。高速微处理器和DSP器件以及专用的控制芯片的出现，使得运行速度、处理能力有很大的提高。DSP固有的计算能力可用来在无刷电机上实现无传感器控制［10］。采用DSP实现无位置传感器控制成为研究的热点，低成本DSP无位置传感器无刷电动机，成为无刷直流电动机的发展方向。

永磁直流力矩电动机也包括无刷的，它们的区别在于一个是矩电机，一个不是。力矩电动机，是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机，具有低转速、大扭矩、过载能力强、响应快、特性线性度好、力矩波动小等特点。力矩电动机的轴不是以恒功率输出动力而是以恒力矩输出动力。永磁直流力矩电动机是一种能工作在连续堵转状态，能与负载直接耦合，以输出转矩为主要特征的低速驱动电机。按其是否存在电刷与换向器接触的结构形式，分为有刷和无刷永磁直流力矩电动机两大类。永磁无刷直流电动机是由一块或多块永磁体建立磁场的直流电动机，其性能与恒定励磁电流的他励直流电动机相似，可以由改变电枢电压来方便地调速。与他励式直流电动机相比，具有体积小、效率高、结构简单、用铜量少等优点，是小功率直流电动机的主要类型。永磁式直流力矩电机，是一种低速直流伺服电动机，通常使用在堵转或低速情况下。其特点是堵转力矩大，空载转速低，不需要任何减速装置可直接驱动负载，过载能力强。长期堵转时能产生足够大的转矩而不损坏。广泛应用于各种雷达天线的驱动、光电跟踪等高精度传动系统、以及一般仪器仪表驱动装置上。属于直驱电机的一种类型。

1、永磁直流无刷电机检测基本参数有：额定电压，额定功率，额定力矩，负载电流，负载转速，空载电流，空载转速，额定负载下最大工作点效率及功率，阻尼系数，粘性阻尼系数，功率因数，反电动势系数，结构参数还有包括，定子槽数，矽钢片厚度，绕线方式等等。

2、永磁无刷电动机可以看做是一台用电子还相装置取代机械换相的直流电动机，永磁永磁直流无刷电动机结构直流无刷电动机主要由永磁电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。无论是结构或控制方式，永磁直流无刷电动机与传统的直流电动机都有很多相似之处：用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极；用具有多相绕组的定子取代电枢；用由固态逆变器和轴位置检测器组成的电子换向器取代机械换向器和电刷检测。

当前直流永磁无刷电机驱动器技术上已和以前完全不一样了，主要是电子离心开关的普遍应用。从深圳复兴伟业研发出第一款电子离心开关开始，新一代的直流永磁无刷电机驱动器比传统的，更加智能、可靠，在安全性、稳定性、通用性、使用寿命和可设计空间都完全进化了，所以来说，所以来说，深圳的复兴伟业革新了直流永磁无刷电机驱动器，是目前最OK的一家。

一、无刷和有刷的主要优缺点：1、无刷电机的主要优点是：

第一、无刷电机的使用寿命长：因为无刷电机用控制器代替换向器和碳刷，是有刷电机的几倍甚至十几倍。而碳刷的寿命是有一定的限度的，比如一千个小时碳刷就会磨损殆尽只能更换电刷或者更换电机。

第二、 无刷电机的运行速度高：无刷电机采用了磁场感应，没有实质的接触，运行速度可以做的更快。

第三、无刷电机的运行声音小：主要适用于一些需要安静的地方，比如医院、银行、机场、学校等需要保持安静，降低噪音的场所。

第四、无刷电机运行时无火花：无刷电机在某些场合就可以大显身手，主要适用于一些易燃易爆的地方，提高安全系数。

2、无刷电机的主要缺点是：

第一、无刷电机的成本造价高：控制器的成本增加至少百元拿微电机来说。原来的换向器和碳刷的成本要低的多。

第二、无刷电机的使用环境限制：如无刷电机使用的环境是在高磁场的地方或曾经接触或与高磁场很近，无刷电机将失去作用。主要是因为无刷电机本身的转子部件是用磁体制作，经过充磁才有磁性的，安装在高磁场或者接近高磁厂，将改变转子的磁场或是消掉了部分的磁性，无刷电机都将不能正常工作或者出现故障。

3、有刷电机的主要优点是：

第一、控制精度高:有刷电机通常和减速箱、译码器一起使用，使的电机的输出功率更大，控制精度更高，控制精度可以达到001毫米，几乎可以让运动部件停在任何想要的地方。所有精密机床都是采用直流电机控制精度。

第二、结构简单:有刷电机机构简单，生产加工容易，维修方便，容易控制；直流电机还具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。

第三、运行平稳，起、制动效果好:有刷电机是通过调压调速，所以起动和制动平稳，恒速运行时也平稳。无刷电机通常是数字变频控制，先将交流变成直流，直流再变成交流，通过频率变化控制转速，所以无刷电机在起动和制动时运行不平稳，振动大，只有在速度恒定时才会平稳。

4、有刷电机的主要缺点是：

第一、电刷和换向器摩擦会引起火花，干扰大。

第二、因为电阻大，效率低、输出功率少。

第三、维护麻烦，需要不停的换电刷。

第四、电刷和换向器之间有摩擦，造成效率降低、噪音增加、容易发热，有刷电机的寿命要比无刷短几倍。

电机的转矩为 M=(9550 x P)/n=(9550 x5)/2800=17 Nm，这是这台电机能输出的最大转矩；

特性曲线上对应2336转/分时转矩是28Nm，这是启动或调速过程中电机的一种状态，不能长期运行，这时电机处于过载状态。

在转速小于额定转速的情况下，电机只能工作在17Nm或17Nm以下。

需要测试盐雾、湿热、低温等项目，盐雾，永磁无刷电机和控制器的抗盐雾性能应符合电工电子产品环境试验第2部分：Ka盐雾试验方法的相关规定。湿热，永磁无刷电机应能承受交变的湿热测试。在测试后，必须能够通过耐电压测试；测试后并检查，不能有转子卡滞，外壳表面必须没有明显的锈蚀和油污。想找电机制造厂家却不知找哪家？不如选择河北优安捷科技，公司实力雄厚，技术力量发达，定子综合测试系统和型式试验测试系统都很先进，拥有专业研发团队和工程技术团队，在质量上做到严格把控，每一项产品都做到不合格坚决不出厂，质量让大家安心放心。点击了解更多产品信息

根据永磁无刷电动机在一般环境条件下使用的湿热试验要求，规定了交变湿热试验方法，试验周期为12个周期。测试完毕，立即在箱内测量电机绝缘电阻，再按610做耐压测试。想买永磁电机综合测试系统不如选择河北优安捷，这里的技术先进，性能可靠，精度准确，724小时专业客服为你服务，有从业多年的售后服务人员为您进行售后服务，还有定子综合测试系统和型式试验测试系统等专业系统，还有高科技的特殊试验台，技术精湛让您放心。客户现场产品测试、安装、维护、故障排除；设备安装使用培训，具有较强的客户服务意识。

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